Metal ve alaşımların sıvı fazdan itibaren uygulanan yüksek bir soğutma hızı ile amorf faza ve amorf fazdan belirli bir bekletilme süresi ile başlangıç yapısı olan kristal faza dönüşümü birbirini takip eden pek çok fiziksel süreci gerektirmektedir. Bu fiziksel süreçlerin birbirleriyle olan bağlantılarını anlamak için, metal ve alaşım sistemlerinin özelliklerini bilmek çok önemlidir. Bu özellikleri belirleyen en önemli temel yapıtaşı ise sistemleri meydana getiren ve çeşitli fiziksel süreçlerde büyük rol oynayan atomik topakların yapısal özelliklerinin bilinmesidir. Atomik ölçekte deneysel incelemeler yapmak oldukça zor olduğundan, bu ölçekteki incelemeler genellikle bilgisayar benzetimleri yardımı ile yapılabilmektedir.
Bu tez çalışmasının en önemli kısmı MD benzetim yöntemi ile modellenen üçlü alaşım sisteminin amorf fazdan kristal faza dönüşüm sürecinde BYD parametreleri kullanılarak belirlenen atomik topakların yapısını oluşturan bağlı-bağsız çiftlerin ve bağlı üçlülerin rolleri incelenmiştir. Bu amaçla, ilk önce Cu ve Ni tek atomlu sistemler ve sonra CuNi ile NiAl ikili alaşım sistemleri Gömülmüş Atom Metodu kullanılarak modellenmeye çalışılmıştır. Gerek BYD parametreleri ile belirlenen atomik topakların gerekse HA metodu ile belirlenen bağlı çiftler ve bağlı üçlülerin üçlü alaşım sisteminde kristalleşme sürecinde etkilerini anlamak amacı ile CuAlNi üçlü alaşım sistemi modellenmiştir.
Genel hatları yukarıda verilen çalışmanın sonuçları aşağıda sıralanmıştır:
A-Mono-atomik model sistemler
1) Modellenen sistemler için atomik topakların (sıkı-paket yapılar) yapısal olarak birbirinden ayırt etmek için yerel BYD parametrelerinin sayısal değerleri kullanılarak W-Q dağılımları incelendi. Bu dağılım ile kristal ve kristal yapıda olmayan temel atomik topakların yapısal farklılıkları belirlendi. Bu atomik topakların yapısını oluşturan bağlı-bağsız çiftler HA metoduna göre tanımlandı. 2) Mono-atomik sistemlerin başlangıç örgü yapısından itibaren ısıtılarak MD
yöntemle erime noktaları tespit edildi. Daha sonra sıvı fazda beş farklı MD adımı bekletilerek hızlı bir soğutma hızı uygulandı. Sonuçta, sıvı fazda daha az süre
paket topakların ve kristal yapılı bağlı çiftlerin meydana getirdiği gözlendi. Tüm bu dönüşümlerde yapısal analizler RDF ve global BYD parametresi kullanılarak yapıldı. 3) Her iki mono-atomik sistem için sıvı fazda kısa süre bekletilerek soğutulan ve daha
sonra amorf fazda 300K sıcaklıkta bekletilmesiyle kristal faza dönüşümün meydana geldiği belirlendi. Gerek RDF piklerinin keskinliğinden, gerekse 1421 bağlı çiftleri ile 2211 bağsız çiftlerinin sayısı incelendiğinde Ni sisteminin Cu sistemine göre çok daha iyi bir şekilde kristalleşme gösterdiği tespit edildi.
4) Amorf fazdan itibaren 5×105 MD adımlık bekletme sürecinde Ni sisteminin Cu sistemine göre oldukça erken kristalleştiği belirlendi.
B- İkili model alaşım sistemleri
1) 5488 atomlu CuNi (Cu-%10 Ni) ile NiAl (Ni-%50Al) ikili alaşım sistemleri SC- EAM potansiyel fonksiyonu kullanılarak modellendi.
2) İkili alaşım sistemleri oda sıcaklığından itibaren deneysel olarak bilinen erime sıcaklıklarına kadar ısıtılarak erime sıcaklıkları MD yöntemle belirlenmeye çalışıldı. Bu erime sıcaklıklarında mono-atomik sistemlerde olduğu gibi beş faklı MD adımı bekletilerek soğutulup amorf faza dönüşümü gerçekleştirildi. Aynı şekilde amorf fazda 5×105 MD adımı bekletilerek sistemlerin kristal faza dönüşüp dönüşmediği incelendi.
3) Amorf fazda 5×105 MD adımı bekletilme sonucunda CuNi model alaşım sisteminin yeniden kristalleştiği, buna rağmen NiAl model alaşım sisteminin ise herhangi bir kristal faza dönüşüme uğramadığı RDF ile analiz edildi.
4) Amorf fazda belirli zaman aralığı arasında alınan bağlı çiftlerin (embriyoların) ortalama sayılarının incelenmesiyle CuNi kristal yapıları temsil eden bağlı çiftlerinin bulunma yüzdesi toplam %31,1, NiAl alaşımında ise %21,5 olarak hesaplandı. NiAl alaşımında kristal yapıları temsil eden bağlı çiftlerinin sayısındaki yetersizlik amorf yapıda çeşitli bölgelerde çekirdeklerin kritik sayıya ulaşımını engellediği ve böylece çekirdeklenmenin amorf fazda kristal oluşumunu sağlayacak seviyeye ulaşamadığı şeklinde yorumlandı. Benzer şekilde NiAl sisteminde 2211 bağsız çiftlerinde de kritik boyutu oluşturacak sayıya ulaşamadığı belirlendi.
5) Model alaşım sistemlerin yapısını oluşturan temel atomik topakların yapısal özellikleri yerel BYD parametrelerinden belirlendi. CuNi sistemi için, amorf fazdan
kristal faza dönüşüm sürecinde kritik bir zamandan sonra kristal fazda FCT/DHCP, HCP gibi kristal yapıların sayısı ani bir şekilde artmıştır. Tetragonal yapıda kristal örgülerin sistemde mevcut olması, başlangıç MD hücresi ile karşılaştırıldığında hücre eksenlerinde değişmeye bağlı olarak tetragonal distorsiyona uğradığı sonucunu vermektedir. NiAl sisteminde ise diğer topaklar olarak adlandırılan amorf fazı oluşturan temel atomik topakların sayısının yüksek oranda bulunması ve deforme olmuş kristal topakların (DEFTPK) yüzdesinin %20 civarında olması model sistemin amorf yapıda kararlı kaldığı sonucu ile uyumlu olduğu tespit edildi. 6) CuNi alaşımının 300K de amorf fazdan kristalleşme sürecinde zamanın
ilerlemesiyle birlikte amorf fazda 1421, 1422, 1431, 1551 ve 1541 bağlı çiftlerin sayısı arttığı, fakat kritik zamandan sonra kristalleşme ile birlikte 1421 bağlı çiftlerinin dışındaki diğer çiftlerin sayısı azaldığı belirlendi.
C- Üçlü model alaşım sistemi (Ternary alloy)
1) DO3 süper örgü yapında kurulan fakat ilk 2000 MD adımından sonra yapısal olarak kararsız kalıp FCC tabanlı süper örgüye dönüşen üçlü alaşım sistemi MD yöntemle belirlenen erime noktasından 300K sıcaklığına soğutulup amorf yapı edildi. Amorf yapıda farklı MD adımlarında bekletilmesine rağmen kristal faza dönüşüm gözlenmedi.
2) Kristalleşmenin görülmemesi üzerine 5488 atomlu üçlü alaşım sisteminin sıcaklığı tavlama olarak bilinen amorf fazdan itibaren daha yüksek sıcaklıklara çıkartıldı. 400K ve 500K de tavlama sıcaklıklarında kristalleşmenin meydana geldiği RDF, bağlı ve bağsız çiftlerin yapısındaki değişimler ile yerel BYD parametrelerinden elde edilen atomik topakların yapıları karşılaştırılarak belirlendi. 600K sıcaklıkta tavlamada ise sistemin sıvı fazda kararlı kaldığı RDF fonksiyonları ile belirlendi. 3) 5488 atomlu üçlü alaşım sisteminde 1421 ve 2211 çiftlerin amorf fazdan kristal faza
dönüşüm sürecindeki yüzdeleri incelendiğinde, tavlama sıcaklığı arttıkça yeniden kristalleşme sıcaklığı arttığı ve yeniden kristalleşmenin tamamlanması için gerekli zamanın azaldığı belirlendi. Bu durum tavlama sıcaklığı ile çekirdeklenme ve kristal çekirdeklerin büyüme hızının doğru orantılı bir şekilde değiştiği şeklinde yorumlandı.
4) 5488 atomlu üçlü alaşım sisteminde kristal fazda HA metodundan elde edilen 1421 bağlı çiftlerinin sayısının 500K tavlama sıcaklığında daha az olması ve bununla beraber BYD parametrelerinden elde edilen amorf fazı oluşturan diğer topaklar, DEFTPK ile ICOS türü atomik topakların 500K sıcaklıkta sistem içinde daha çok mevcut olması yüksek sıcaklıkta tavlamada oluşan kristal fazda daha çok kusurlu bölgelerin meydana geldiği şeklinde yorumlandı.
5) Üçlü model sistemin atom sayısı arttırıldığında 400K tavlama sıcaklığında kararlı kristal fazın meydana gelmediği ve kararlı kristal fazın oluşabilmesi için tavlama zamanının oldukça uzun tutulması gerektiği tespit edildi. Bununla birlikte, 500K sıcaklıkta tavlama 5488 atomlu sistemle karşılaştırıldığında atom sayısının artması ile birlikte yeniden kristalleşme zamanının arttığı gözlendi. Bu sonuç, atom sayısının artması ile birlikte yığılma kusurlarına bağlı olarak iç zorlanmalar ve kusurlu bölgelerin artmasına sebep olmuş, böylece yeniden kristalleşme zamanını artmıştır.
6) Kristal yapıları temsil eden çiftlerin sayısındaki değişim kullanılarak farklı tavlama sıcaklıklarında ln[ln(1x)]’nin ln(t) ye göre değişiminin fit edilmiş doğru grafiği elde edildi. Bu doğruların eğimi Avrami üsteli (n) değerini verecektir. 400K tavlama sıcaklığında Avrami üstelinin değeri 0,43 olarak hesaplandı. Bu değer, bu tavlama sıcaklığında büyümenin gerçekleşmediği, sadece yüzeysel bir çekirdeklenmenin mevcut olduğu şeklinde yorumlanmıştır. 500K tavlama sıcaklığında ise, Avrami üstelinin değeri 2,78 olarak hesaplandı ve bu değer, alaşım sisteminde tavlama sıcaklığının artması ile birlikte hacimsel bir çekirdeklenmenin meydana geldiği ve iki boyutta büyümenin gerçekleştiği sonucunu verir.
7) Üçlü bir alaşımda bağlı çiftlerin yanı sıra alaşımın kompozisyonuna göre değişecek bağlı üçlülerin belirlendi ve bu üçlülerin yapısal olarak hangi örgüleri temsil edebileceğini incelendi. Bu amaçla, farklı tür atom türündeki bağlı üçlüler çeşitli örgülerde tanımlanarak yapısal olarak birbirinden ayırt edilmeye çalışıldı.
8) 54000 atomlu model üçlü alaşım sisteminin 500K sıcaklıktan 1100K ne kadar ısıtılma sürecindeki bağlı üçlülerin sistem içinde bulunma yüzdesi hesaplandı. Bağlı üçlülerin sistem içinde bulunma yüzdesinden 500K sıcaklıkta kararlı kalan FCC yapılı α fazının sıcaklığın arttırılması ile yaklaşık 900K sıcaklıkta BCC tabanlı DO3 örgüye dönüştüğü görüldü. Bu durum, CuAlNi alaşımının termoelastik faz dönüşümü özeliği göstermesi ile uyumlu bir sonuç olduğu tespit edildi.
9) Amorf fazdan itibaren 500K sıcaklıktaki kristalleşme sürecindeki bağlı üçlülerin sayısının zamana göre değişimi incelendi. Amorf fazda zamanla DO3 örgü yapısı düzeni artarken sistemin sıcaklığı artmasına bağlı olarak kritik bir zamandan sonra DO3 örgü yapısı düzeni bozularak FCC tabanlı bir örgü yapısına dönüşümün meydana geldiği belirlendi.